LED衬底、外延及芯片的技术发展及其趋势

1.图形化衬底

LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS)，PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS，微米级PSS有各种形状图形，如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等，图形高度一般1.1~1.6μm，圆直径2.5~3μm，周期约4μm，采用光微投影及电浆干式蚀刻技术，2″圆片的成品率为80%~93%，4″圆片为40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术，图形大小约260nm，周期约460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用纳米光微影(NIL)新技术，将会降低nPSS成本，并可适用大晶圆尺寸，为此介绍二种纳米级nPSS。

(1)nPSS衬底

nPSS采用纳米压印是接触式，对纳米模板及衬底平行度要求苛刻，脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素，该技术瓶颈将尽快突破，将成为2013年的主流，nPSS优点：LED更高发光效率，均匀性更好，成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列，使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

(2)纳米柱PSS

英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术，形成表面的纳米柱。该纳米柱直径是几百纳米，在此衬底上外延生长可缓解应力85%，从而大幅度减少缺陷，在不增加成本情况下，可大幅提高发光亮度，LED光效的产业化水平可达200lm/W，并改善Droop效应，衰减减缓约30%。

小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

2.同质衬底

同质衬底是以GaN作衬底，并在此衬底上生长GaN，全球相关研究机构和大企业，如日亚、Cree等均投入很大研发力量，并取得了突破性进展。生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低(105~106个/cm2)，内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成本(目前衬底较贵)，下面介绍几个主要研究成果。

(1)实现高亮度LED

丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400lm光通量，可以实现单芯片LED的高亮度。

(2)HVPE生长GaN衬底产业化

三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，实现产业化可提供2″GaN衬底，厚度450μm左右，位错密度(106~107个/cm2)，三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。